材料成型设备 材料成型设备计算机控制系统抗干扰技术.pptx
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1、5.1、材料成型设备计算机控制系统干扰途径与分类、材料成型设备计算机控制系统干扰途径与分类 干扰的途径 材料成型设备所处的工作环境是相当恶劣的,因而其微控系统的干扰也是多种多样的。对于电磁干扰而言,可划分为传导,辐射两种类型。材料成型设备由于其功率大,所以对电网的冲击相当严重,大容量焊机的开启是网压跌落几十伏是很普通的事情;移相晶闸管造成的网压,波形畸变和感性负荷造成的浪涌几乎是无法避免的;材料成型的电流产生的强电磁场足以使一些金属零件移动或飞起;大接触器通断时还伴有严重的高频电压加入网路。因此,对材料成型现场的干扰分析如下:传播类型的干扰是指通过金属体(分布)电感(分布)电容和变压器传播的;
2、而辐射则是一多种途径向外传播的;如透过设备的外壳以及外壳上的缝隙,通过设备间的连接电缆,装配不好的联结器,生锈的零件表面,编织屏蔽层的泄露,严格的讲甚至是一根导线本身等等。第1页/共151页干扰的分类干扰的分类 传导干扰与辐射干扰常常是伴生的,并且在干扰吸收体上还是互相转化的。材料成型设备所受的干扰分如下几类:1.来自电网的干扰由于我国采用的是220V的高内阻电网,因此,来自电网的干扰比国外严重。有的资料认为我国的网路干扰严重程度要超出美国等国家的4倍以上。网路干扰主要有以下几种:(1)高频串扰这类干扰主要是由于大容量的接触器工作时产生并通过网路馈电线传导和辐射。在网路上这种干扰的蜂值可以达到
3、千伏级,频率达几十甚至几百千赫(2)电压跌落在我国大容量电焊机集中的地方,如点焊车间等,焊机工作是争峰值的现象较为严重。(3)浪涌及波形畸变大功率的晶闸管在非零触发时往往形波形畸变,此外,在网路上还有可能产生持续时间在微秒级的尖峰浪涌。上述这些干扰出现后,往往伴随着网路馈线与大地或机箱的电位突变,这些干扰通过电源通道进入系统,导致计算机系统工作混乱。第2页/共151页2.来自微机控制系统外的空间的干扰来自微机控制系统外的空间的干扰 这种干扰的主要途径:第一是通过系统外壳吸收、调制、耦合,进而对内部电路产生第二次感应,第二是通过外壳的开孔和缝隙进入系统。实践表明,在某种场合采用常规的将外壳用粗导
4、线接地的办法反而使干扰性能更加恶化。强烈的电磁干扰造成的电位突变使常规的屏蔽、接地技术抗干扰大大下降。因此对它的防治必须采取新的如下措施:就接地而言,干扰对系统的作用,是通过地线电阻R和地线分布电感L两种方式产生的影响。对于含有高频成分的瞬变干扰,分布电感L的作用大为明显,因此,仅按常规的用粗线接地,一点接地等做法已经不能满足系统的抗干扰要求。对这种性质的空间干扰,最根本的途径减小系统的空间体积,尽量减小地线走过的空间,通过隔离,分割为小共地系统,降低由于干扰造成的不等位,以减小其分布参数R和L。在强干扰场合下如果系统外壳接地,则干扰会使外壳成为强烈的干扰源形成“有害屏蔽”,因此,系统外壳应浮
5、地(即不接地,并与其他金属体绝缘),而与系统数字地相连,形成系统数字地与外壳等电位浮动的等位屏蔽第3页/共151页3.系统自身内部的干扰系统自身内部的干扰 在系统内部往往强电与弱电共存,各种执行元件如继电器,晶闸管,高压采集电路与弱电线路,数字系统在同一空间并存,使系统自身内部的干扰较为严重。此类干扰主要通过系统内部各单元之间的连线和与高压强电邻近的弱信号电路或数字电路耦合两种方式产生危害。对于这类干扰除前述的缩小空间和减小耦合空间的方法外,要在可能的情况下尽量对各单元系统单独屏蔽,并合理配置系统内各单元的位置,同时在各连接处设置隔离,无法隔离的,要设置滤波。第4页/共151页4.从信号传输线
6、传入的干扰从信号传输线传入的干扰 这种干扰来自两个方面:(1)信号源对干扰的耦合或信号源的燥声(2)传输线上的耦合感应这类干扰的性质主要是电压性的。它是通过以下的方式对系统发生作用的。1)由于干扰与信号的迭加造成信号失真。2)信号地与电源地瞬时突变,使其与之信号线地相联接的局部电路地瞬时不等位。防治方法主要有:对叠加在信号上的噪声和突变性干扰采取滤波措施;对已知性质及规律性的缓变性干扰,则采用软件处理已剔除干扰还原信号;对信号线采取屏蔽措施,以减小耦合感应;采取抑制电位突变措施包括对信号线地与连接处电路之间采取抑制器;局部电路地与电源地之间不等位,可采取在局部电路地与电源之间加去耦电容,布局时
7、减小局部电路地与电源地之间的R和L等措施。第5页/共151页5.其他类型的干扰其他类型的干扰 按照使微控系统脱离既定逻辑与模式和随机性这两个要点,这里把由意外冲击和振动造成的电路搭接触不良,断路和意外的温度升高使电路工作脱离既定的工作范围和因为线路连接部分选材不合理(如铜与铝的连接)造成在潮湿空气中形成电化腐蚀而使电路工作失效等类故障亦称做干扰,并统称为机械性干扰。这类干扰由于涉及面较广,原因复杂,故本书不专门介绍。综上所述,微控系统的抗干扰问题,是一个十分复杂的问题,它涉及到微控系统的设计,制造,调试等各个环节,必须采取全方位的措施方能予以解决。在实际工作中应予以充分注意。第6页/共151页
8、5.2 电子元器件选择原则电子元器件选择原则 元器件筛选方案的设计原则筛选项目选择越多,应力条件越严格,劣品淘汰得越彻底,其筛选效率就越高,筛选出的元器件可靠性水平也越接近于产品的固有可靠性水平。但是要付出较高的费用、较长的周期,同时还会使不存在缺陷、性能良好的产品的可靠性降低。故筛选条件过高就会造成不必要的浪费,条件选择过低则劣品淘汰不彻底,产品的使用可靠性得不到保证。由此可见,筛选强度不够或筛选条件过严都对整批产品的可靠性不利。为了有效而正确地进行可靠性筛选,必须合理地确定筛选项目和筛选应力,为此,必须了解产品的失效机理。产品的类型不同,生产单位不同以及原材料及工艺流程不同时,其失效机理就
9、不一定相同,因而可靠性筛选的条件也应有所不同。因此,必须针对各种具体产品进行大量的可靠性试验和筛选摸底试验,从而掌握产品失效机理与筛选项目问的关系。元器件筛选方案的制订要拿握以下原则:(1)筛选要能有效地剔除早期失效的产品,但不应使正常产品提高失效率。(2)为提高筛选效率,可进行强应力筛选。但不应使产品产生新的失效模式。(3)合理选择能暴露失效的最佳应力顺序。(4)对被筛选对象可能的失效模式应有所掌握。(5)为制订合理有效的筛选方案,必须了解各有关元器件的特性、材料、封装及制造技术。此外,在遵循以上五条原则的同时,应结合生产周期,合理制定筛选时间。第7页/共151页元器件选择的一般原则元器件选
10、择的一般原则:元器件的正确选用是微机测控系统可靠性设计中的重要环节。在选择元器件时,不但要满足性能要求,而且还必须是集成度高,抗干扰能力强,功耗又小的电子器件。在系统设计中半导体器件的选择对系统的性能和可靠性影响极大。以下是半导体器件的选择原则:(1)为了使半导体器件满足系统性能的要求,必须深入了解元器件的电气参数。对于二级管,应考虑最大反向电压,最大正向电流,反向电流,正向压降和工作频率。对于三级管,主要考虑最大集成电极电压、反向饱和电流、最大集成电极功耗、电流放大系数、燥声系数、截止频率和环境温度范围等。对于集成电路,要考虑的主要是电源电压、负载电流、输入信号电压、输出电平、环境温度、扇出
11、数以及封装形式等(2)为了使半导体器件满足系统可靠要求,应注意温度对器件性能的影响,选择温漂小、稳定性好的元器件。如果尽量选用硅器件而不用锗器件;对于高精度放大器,应选用温漂系数小的集成运放,而不用普通集成运放。(3)为了降低接触不良故障,就要减小焊点数量。因此,尽量选用集成电路,而少用分立元器件;尽量选用大规模、超大规模集成电路,而其次才是中、小规模集成电路。第8页/共151页(4)微机测控系统所处外部环境往往有严重干扰,因此,尽量选用抗干扰性能好的元器件。如为了提高噪声容限,可选用CMOS器件;为了抑制共模干扰,可选用测量放大器;为了抑制工频干扰,可选用积分型A/D转换器等。(5)考虑功率
12、。在野外作业的单片机智能测量设备,由于用电池供电,可供用功率小的CMOS器件。(6)选用资源高,国内广泛流行的元器件,这对于设备的安装、制造和日后的维修是有利的。(7)尽可能以软代硬,一般而言软件可靠性比硬件高得多,因此系统的可靠性可得到较大幅度的提高,但同时增加软件复杂程度,降低软件可靠性,具体应根据工程需要综合权衡。(8)注意元器件装配工艺对可靠性的影响,在测控系统中必须注意焊点质量,防止虚焊;要将较重的元件安装在印刷底板上,并使用专门的紧固件,而不应靠焊锡固定;接插件也要安装可靠,保证接触良好;结构、布局要合理,各种走线(包括印刷板上的走线)要尽量缩短,并且各部件要远离热源和干扰源。第9
13、页/共151页元器件的降额设计元器件的降额设计 所谓降额设计,就是使元器件运行在比额定值低的应力状态的一种设计技术。由元器件寿命试验表明,失效率将随着工作电压、环境温度的提高而成倍地增加。目前降额设计已成为提高系统可靠性的常用方法。为了提高元器件的使用可靠性,必须有意识地降低施加在元器件上的工作应力,影响单片机系统运行可靠性的工作应力(如:电、热、力学应力等)。降额的条件及降额的数值必须综合考虑,既保证系统能可靠地工作,又能保证其所需性能。降额的措施随元器件类型不同而有不同的规定,如电阻器,因工作时要产生热量,这不仅影响周围器件,而且电阻器本身阻值也会发生变化。因此,一般电阻器使用时,实际负载
14、功率要低于额定功率的30%,装配精度要求很高时,应低于额定功率的50%;电阻器使用的最高电压,最好只用到最高允许值的50%左右,或者更低一些。在高压电路中,若考虑到由于尘埃和湿度的影响而导致漏电增多,以降低电压50%左右使用更好。电容器的使用应保持实际电压比额定电压低20%30%,不要十分接近,更不要超过其额定电压值,以免由于电源电压波动而将电容器击穿,损坏其他元件。降额使用多用于无源元件、大功率器件、电源模块或大电流开关器件等,部分元器件降额参数见表5-1。降额使用不适用于TTL器件,因为TTL电路对工作电压范围要求较严。另外,在降额设计时,应根据元器件的具体应用情况来确定适当的降额水平。因
15、为降额不够则元器件的失效率会比较大,不能达到可靠性要求;反之,降额过度,将使设备的重量、体积、成本方面付出较大的代价,还可能使元器件的数量产生不必要的增加,这样反而会使系统可靠性下降。第10页/共151页表表5-1部分元器件降额参数部分元器件降额参数 产品名称 降额参数降额使用范围通用元器件 温度 70%固定电阻器 功率 60%可变电阻器 电流 70%热敏电阻器 功率 60%薄膜电容器 工作电压 80%90%电解电容器 工作电压 80%90%二级管 工作电流 60%晶体管 功耗 75%一般电容器 工作电压 75%线性集成电路 输出降额 85%数字集成电路 输出降额 80%电源变压器功率伏安数
16、60%第11页/共151页集成电路选用时应注意的问题集成电路选用时应注意的问题(1)所有集成电路,使用时不允许超过参数表规定的数值。(2)对于数字集成电路,设计时应考虑其速度,航干扰能力和价格。一般速度愈高,抗干扰能力愈强。则价格愈高。(3)集成电路参数优劣和稳定可靠性两者没有直接关系。即电参数好的可靠性不一定高,电参数差一些的可靠性不一定低。因此,从稳定可靠来论,并不一定要求使用高档产品。也就是说,一般性的产品,经过合适的老化、筛选措施,仍然能够得到可靠性高、稳定性好的集成电路,这样成本将会有所降低。(4)CMOS电路使用中注意事项CMOS电路是电压控制器件,它的输入电阻极大,对干扰信号十分
17、敏感,因此输入端不应开路。可以根据使用时具体情况,将不用与使用端并联,或将不用端接电源或接地。如果输入引脚浮空,在输入引脚上很容易积累电荷,产生较大的静电电压。尽管输入脚都有保护电路,静电电压一般不会损坏器件,很容易使输入脚电位处于0到1之间的过渡区域,使得反相器上、下两个场效应管均会导通,是电路功率增加;输入信号幅度应当在供电电压范围之内,若输入信号幅度超过供电电压,则容易使输入端电流过大,损坏输入端保护二级管;同时过大的输入信号还容易触发寄生可控硅现象造成电路损坏;第12页/共151页CMOS电路驱动能力不大,因而对TTL电路的扇出系数不大。但由于CMOS电路的输入电阻很大,输入电流仅仅几
18、个微安,因而CMOS对CMOS电路的扇出系数可达50以上;不能带电拔插集成块,输出端所驱动的电容负载不要大于500pF,否则输出功率过大会损坏电路;CMOS集成电路,具有极高的输入阻抗,少量电荷就会产生较高电压。为防止栅极感应击穿,要求一切测试仪器,电烙铁、电路本身有良好接地。特别是信号源和交流测量仪器。同时操作人员应减少走动,下穿尼龙服装(或穿防静电工作服、工作鞋)。贮存时,为防止外界感应电势击穿栅极,必须将此电路放置在防静电的包装容器、金属屏蔽盒或用金属箱包装好的装置内。(5)集成电路焊接时应注意的问题焊接温度不宜过高,25w为宜,并应良好接地;焊接时间不宜过长,一般应3秒为宜;一般使用松
19、香的酒精溶液作焊别,不能使用有腐蚀性的焊剂。焊接后应用酒精轻擦焊点,但不允许整块电路板放入溶剂中浸泡;在整机中需要更换集成电路时(指焊接的),必须关机切断电源后内焊接,防让电烙铁漏电烧坏集成片;扁平形集成电路外引线成形、焊接时。应与印制板平行、不得穿引扭焊,外引线不得自根部弯折;(6)双列直插式集成电路块,应采用集成电路插座。(7)功率集成电路外壳或散热片与适当的散热器或散热板紧密接触,以保证良好的散热。(8)数字集成电路剩余的输入端,可采取如下三种处理方法。即悬空、并联或提高电位。第13页/共151页5.3 材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术 随
20、着单片机在材料成型设备测控系统中的应用愈来愈广泛,单片机应用系统的可靠性成为人们愈来愈关注的重要问题。如何防止外界对系统的干扰,确保单片机系统安全可靠的正常运行,般从两大方面入手,一是充分发挥控制系统中计算机在软件编程方向的灵活性,采用各种软件抗干扰措施,二是在电路设计上采用硬件抗干扰措施,硬件抗干扰措施目的是尽可能切断干扰进入计算机过程控制系统的通道,下面从接地技术、屏蔽技术、看门狗技术、滤波技术和隔离技术等方面论述材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术。接地技术1.接地的概念所谓“地”,有两种含义,即实际地和虚地。实际地是指大地,电子仪器往往是以地球的电位为基准即以大地作为零电位;虚地是
21、以电路系统中某一点电位为基准,即设该点为相对零电位,如电子电路中往往以设备的金属底座、机架、外壳和公共导线作为零电位,即“地”电位,这种“地”不一定与大地等电位。接地是指让电子、电器设备的基准电位点与大地保持同电位。第14页/共151页2.计算机控制系统中地线的形式在计算机控制系统中,由于电子、电器设备的基准电位点可以有不同的类型,如金属外壳或箱体基准,输入输出公共接点基准等,这样,在控制系统中,就形成了各种各样的地线。屏蔽地:又称为安全地或机壳地,包括机架、外壳、屏蔽罩等。模拟地:作为AD转换器、前置放大器等模拟部分的零电位。数字地:即逻辑地,作为逻辑开关网络的零电位。功率地:作为大电流网络
22、部件的零电位。信号地:是传感器本身的零信号电位基准公共线,传感器可看作是测量装置的信号源。系统地:是上述几种地线的最终回流点,它将最终与大地相连。而以大地电位作为基准零电位直流地:直流电源的接地线。交流地:一般指50HZ交流电源接地线。3.电磁兼容接地出于电磁兼容设计而要求的接地,屏蔽接地为了防止电路之间由于寄生电容存在产生干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感,必须进行必要的隔离和屏蔽,这些隔离和屏蔽的金属必须接地;滤波器接地时滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容,当滤波器不接地时,这些电容就处于悬浮状态,起不到旁路的作用;噪声和干扰抑制对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多
23、点与地相连,从而为干扰信号提供“最低阻抗”通道;电路之间信号要正确传输,必须有一个公共电位参考点,这个公共电位参考点就是地。因此所有互相连接的电路必须接地。以上所有理由形成了接地的综合要求。但是,一般在设计要求时仅明确安全和雷电防护接地的要求,其它均隐含在用户对系统或设备的电磁兼容要求中。第15页/共151页在复杂的大系统中,既有高频信号,又有低频信号;既有强电电路,又有弱电电路;既有频繁开关动作的设备,又有极为敏感的弱信号装置。这样的综合性系统,仅仅将电路按需要设置接地方式是不能满足电磁兼容性要求的,还必须采用分门别类的方法将不同类型的信号电路分成若干类型,以同类电路构成接地系统。一般有两种
24、分类法:四类法和三类法。四类法是将所有电路按信号特性分成四类,分别接地,形成四个独立的接地系统,每个“地”系统可能采用不同的接地方式。四类法的第一类是敏感信号和小信号“地”系统。包括低电平电路、弱信号检测电路、传感器输入电路、前级放大电路、混频器等,由于这些电路工作电平低,信号幅度弱项,特别容易受到干扰而失效或降级,因此它们的地线应避免混杂于其他电路中。第二类是不敏感信号和大信号电路的的线系统。它包括高电平电路、末级放大器、大功率电路等。因为在这些电路中,工作电流都比较大,地线系统中的电流也比较大,因此必须和小信号电路的地线分开设置,否则通过地线的耦合作用必然对小信号电路造成干扰,使电路不能正
25、常工作。第三类是干扰源设备地系统,它包括电动机、继电器、接触器等。由于这类元件在工作时产生火花或冲击电流等,往往对电子电路产生严重的干扰,除了要采取屏蔽隔离技术外,地线必须和电子电路分开设置。第四类是金属构件地。它包括机壳、底板、机门、面板等。为了防止发生人身触电事故、雷击事故、外界电磁场的干扰以及摩擦产生静电等,必须将机壳等接地。由于“四类法”中四种电路的地都分别设置,因此可以较完善地达到接地的设计要求。“三类法”与“四类法”的分类原则相同,只是将上述第一类和第二类的地线分别集中连接到机壳,并略去第四类,成为三类地系统。第16页/共151页4.系统抑制干扰的接地方式(1)一点接地准则一般高频
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